翼型和軸流泵的不穩(wěn)定空化及其尺度效應(yīng)的數(shù)值研究.pdf

1、在流體機(jī)械中空化一般是有害的，非定常空化對水力部件造成的非定常載荷會導(dǎo)致葉片、泵軸等部件的疲勞損壞甚至斷裂。所以加強(qiáng)對空化的研究，深入了解空化產(chǎn)生的機(jī)理、演化的規(guī)律，對流體機(jī)械設(shè)計(jì)過程中合理規(guī)避空化危險，主動或者被動地減輕空化的危害具有有重要意義。
　　運(yùn)用傳統(tǒng)理論對水泵的揚(yáng)程、流量、功率進(jìn)行換算時，有很高的準(zhǔn)確性和適用性，但是在對其空化性能進(jìn)行換算時卻出現(xiàn)不可忽視的誤差，而且誤差隨著尺寸差別的增大而增大。為此，前人作了一些經(jīng)驗(yàn)性

2、的修正，但是這個現(xiàn)象的成因卻鮮有報(bào)道。本文受此啟發(fā)，希望探尋空化相似換算誤差的原因。
　　本文對流體力學(xué)中的流動相似理論進(jìn)行了回顧，分析了粘性不可壓縮流動動力相似所要滿足的條件，在幾何相似和速度相似的基礎(chǔ)上，得出了流動動力相似的充分條件和必要條件。討論了動力相似準(zhǔn)則數(shù)的適用情況，討論了水翼空化流動相似應(yīng)該滿足的條件。
　　使用相同的網(wǎng)格劃分策略，對幾何相似的4個NACA66翼型模型（尺寸分別為試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?.25、1.0、0.

3、75、0.5倍）的計(jì)算域進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。采用分離渦湍流模型和Zwart模型，基于雷諾相似和空化數(shù)相等，對這4個翼型模型進(jìn)行了空化流場的模擬。通過將模型1.0的模擬結(jié)果與Leroux的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了湍流模型、空化模型以及數(shù)值方法的可行性和準(zhǔn)確性。結(jié)合空化圖像以及翼型背面的壓力脈動，說明了繞翼型空化的演化過程。對模型1.0的回射流頭部和空穴尾部的坐標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，解釋了回射流對空化演化的重要作用。對壓力場和速度場的分析，揭示了逆壓梯

4、度是回射流發(fā)展的動力，隨時間變化的壓力場結(jié)構(gòu)使得回射流的發(fā)展呈現(xiàn)出一定的脈動特性。
　　統(tǒng)計(jì)了4個模型水翼的斯特勞哈爾數(shù)，發(fā)現(xiàn)在雷諾數(shù)和空化數(shù)相等的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值模擬，斯特勞哈爾數(shù)也基本相當(dāng)。將4個水翼的壓力脈動模擬值進(jìn)行無量綱化后，發(fā)現(xiàn)它們的吻合程度很高;對比4個水翼的空化圖像，也發(fā)現(xiàn)有較高的一致性;這說明4個水翼擁有相同的空化發(fā)展階段。在統(tǒng)計(jì)了各個模型的空泡體積分?jǐn)?shù)的演化之后，發(fā)現(xiàn)模型的幾何尺寸越大，空泡的體積分?jǐn)?shù)越大。在對翼

5、型背面不同位置的無量綱速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，在空穴生長階段，各個模型的無量綱速度吻合程度很高。通過對中截面上的軸向無量綱速度進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)隨著模型尺寸的增大，主流區(qū)逐漸被擠占，充分發(fā)展的云空化對主流產(chǎn)生了影響，大約在7/14T～9/14T之間發(fā)生。通過分析無量綱壓力場和速度矢量場，觀察到大尺寸模型中的回射流發(fā)展比小模型的更快，但是大尺寸模型的殘余空泡滯留在翼型頭部的無量綱時間更長。
　　明確了幾何相似、運(yùn)動相似、歐拉相似是泵相似

6、理論的基礎(chǔ)，再一次對雷諾數(shù)在內(nèi)部流動中的重要性進(jìn)行了闡述，雷諾數(shù)的作用不僅在邊界層中顯著，而且是主流流態(tài)的重要指標(biāo)。當(dāng)空化流場符合雷諾相似和空化數(shù)相等時，不同尺寸水翼的模擬結(jié)果有很強(qiáng)的相似性。如果對不同的模型，使用歐拉相似、空化數(shù)相等原則來設(shè)置模擬條件，則會導(dǎo)致空化演化出現(xiàn)非常大的差異，小模型上的空化無法分離脫落。在無量綱長度和無量綱時間上，較小的幾何邊界都會對回射流的發(fā)展存在抑制作用。
　　推導(dǎo)了基于已有的泵理論、同時符合雷諾相